19384

۱۹۳۸۴

تحليل و طراحي جاذب هاي تراهرتزي مبتني بر متاسرفيس هاي گرافيني

كارشناسي ارشد

مخابرات ميدان و موج

۱۳۹۴-۱۳۹۷

۱۳۹۷/۰۶/۲۵

دكتر علي عبدالعالي

برق

گرافين شكلي ديگر از كربن در قالبي دو بعدي و داراي ضخامتي برابر يك اتم است كه به شكل شبكه‌اي لانه‌زنبوري از حفره‌هاي ۶ ضلعي مي باشد. به علت خواص مكانيكي، الكتريكي، نوري و حرراتي خارق العاده، گرافين در زمينه هاي مختلف صنعتي و پژوهشي كاربردهاي متنوعي پيدا كرده است. امروزه جاذب هاي الكترومغناطيسي مبتني بر گرافين به دليل خواص بسيار خوبشان مانند تنظيم پذيري ، نرخ جذب بالا و ... يكي از موضوعات بسيار مهم و جذاب در حوزه مهندسي الكترومغناطيس مي باشند.متاسفانه بيشتر طراحي هاي گذشته صرفا مبتني بر نرم افزارهاي عددي و صحيح و خطا مي باشند كه اين موضوع روند طراحي را بسيار زمان بر مي كند. به جز چند حالت خاص تا كنون طراحي جاذب هاي گرافيني روند دقيق و تحليلي نداشته اند.به علت مشكلات ذكر شده ما در اين پايان نامه به دنبال طراحي جاذب هاي گرافيني مي باشيم كه فقط به روش هاي عددي وابسته نباشند. بر همين اساس اين پايان نامه دو روش را براي طراحي جاذب هاي گرافيني پيش گرفته است. بخش اول به طراحي جاذب هاي به روش نيمه تحليلي مي پردازيم و در بخش دوم به طراحي جاذب گرافيني به كمك روش هاي صرفا تحليل مي پردازيم. در بخش اول بر اساس روش رسانايي الكتريكي سطحي معادل كه روشي نيمه تحليلي است، به طراحي جاذب پهن تراهرتزي چند لايه مبتني بر متاسرفيس هاي گرافيني مي پردازيم.ساختار پيشنهاد شده از سه متاسرفيس گرافيني مربعي-دايروي-صليبي شكل كه روي يكديگر قرار گرفته اند تشكيل شده است .جاذب طراحي و پيشنهاد شده داراي پهناي باند 2.6 تراهرتز (140% پهناي باند نسبي) مي باشد كه نسبت به آخرين جاذب هاي طراحي شده با ضخامت يكسان ،40 % پهناي باند نسبي بيشتري دارد. هم چنين جاذب طراحي شده داراي پايداري زاويه اي مناسبي براي هر دو نوع قطبش مي باشد. در ابتداي بخش دوم يك جاذب گرافيني در باند ريز موج طراحي شده است. جاذب از ساختار چند لايه گرافيني-پلاسما ايجاد شده است. با استفاده از خواص تلفاتي محيط پلاسما در پايين باند ، و خواص تلفاتي گرافين در بالاي باند، يك جاذب فوق پهن باند پيشنهاد شده است كه داراي نرخ جذب بالاي 90% در بازه فركانسي 1 الي 60 گيگاهرتز (193% پهناي باند نسبي) مي باشد. جاذب چندلايه طراحي شده هم از لحاظ پهناي باند- هم از لحاظ نرخ جذب و هم از لحاظ كاهش ضخامت داراي بهبود چشم گيري نسبت به ساير جاذب هاي مبتني بر پلاسما شده است. در ادامه ما چند ساختارهاي مبتني بر متاسرفيس گرافيني از لحاظ الكترومغناطيسي به صورت دقيق مورد تحليل قرار داديم. چهار ساختار شامل 1-آرايه نوارهاي گرافيني نزديك به صفحه زمين 2-آرايه ديسك هاي گرافيني نزديك به صفحه زمين 3-ساختار دولايه از آرايه نوارهاي گرافيني 4-آرايه نوارهاي گرافيني با عرض هاي متفاوت در اين پايان نامه مورد بررسي قرار گرفته اند. روش تحليل اين ساختار هاي مشابه مي باشد. در همه آن ها ابتدا معادله انتگرالي حاكم بر جريان هاي القا شده روي متاسرفيس هاي گرافيني را تحت شرايط شبه استاتيك بدست مي آوريم. سپس از طريق حل مسئله مقدار ويژه و به كمك تئوري اختلالات جزئي مقدار دقيق جريان هاي القا شده را به دست مي آوريم و بر اساس معادلات انتگرالي يك مدار معادل دقيق ارائه مي دهيم. در انتها به كمك مدار معادل بدست آمده انواع جاذب هاي تنطيم پذير،پهن باند، تك بانده،چند بانده با نرخ جذب بالا به صورت تحليلي و يك متد مشخص طراحي مي كنيم.

1397/06/31

Analysis and Design of Terahertz Absorber based on Graphene Metasurfaces

9/22/2018 12:00:00 AM

Graphene is a 2-D nanomaterial, which is composed of a single layer of carbon atoms organized into a hexagonal lattice .Due to its unique electrical, optical, thermal and mechanical properties, increasingly intensive research has been conducted in this area. Moreover, it has been demonstrated that graphene is one of the best materials for designing THz-wave absorbers because of its capability of surface plasmon polariton-based absorption at THz frequencies. Unfortunately, previous design methods Suffer numerical methods and trial and error that's problem makes the design process very time-consuming. For conquest this problem evidently we need analytical solution. In section 3 for the first time, the combinational use of plasma medium and graphene sheets is theoretically proposed for stealth applications. The simultaneous use of the lossy characteristics of plasma and graphene layers in the lower and upper parts of the frequency band, respectively, results in a new type of broadband radar absorbing structures. In section 4 by using an equivalent circuit method, a polarization-insensitive terahertz (THz) absorber based on multilayer graphene-based metasurfaces (MGBMs) is systematically designed, providing an extremely broad absorption bandwidth (BW). The proposed absorber is a compact, three-layer structure, comprising square-, cross-, and circular-shaped graphene metasurfaces embedded between three separator dielectrics The optimum MGBM absorber exhibits >90% absorbance in an extremely broad frequency band of 0.55–3.12 THz (BW 140%). The results indicate a significant BW enhancement compared with both the previous metal- and graphene-based THz absorbers, highlighting the capability of the designed MGBM absorber. In section 5 an accurate analysis of a perfect electric conductor (PEC)–backed array of graphene ribbons (PA GR) is presented based on the well-known electromagnetic (EM) image theorem, where the induced currents are theoretically derived under a transverse-magnetic-polarized incident wave. For the first time, the proposed analysis rigorously incorporates the EM coupling effects between the PEC back plate and the subwavelength array of graphene ribbons. It is proved that the strong interaction between the PEC back plate and graphene ribbons drastically affects the results, especially y in ultra-thin PAGR structures, whereas it was neglected in the previous works. As a proof of principle, an ultra-thin graphene-assisted absorber ( 0.05λ0) exhibiting tunable absorption at the terahertz regime is theoretically designed to verify the proposed analytical scheme. In other section same section 5 we analysis other graphene metasurfaces like array of graphene ribbon with different size, Two layer array of graphene ribbon and perfect electric conductor–backed of periodic array of graphene disk.